采矿工程专业虚拟仿真实验教学体系建设探讨

刘洪洋 魏中举 谢小平

［摘           要］  随着信息技术的不断发展，矿业开始进入了转型阶段，重视使用智能化技术，落实绿色安全生产理念，在这一背景下，矿业对于优质人才的需求量有所增加，相关高校重视对教学模式进行改革，加快专业学科建设，提升学生的创新创业能力，满足社会发展以及行业转型对于优质人才的需求。采矿工程专业教学改革难度较大，传统教学方法过于单一，偏向于理论化，而虚拟仿真实验教学体系的建设可以为学生提供形象化的教学环境，以具象的方式展示理论知识，有利于推进教学改革。基于此，对虚拟仿真实验教学体系的建设意义和策略进行了分析，以期为教学改革提供参考意见。

［关    键   词］  采矿工程专业；虚拟仿真实验；教学体系；建设策略

［中图分类号］  G647                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2023）07-0065-04

矿产资源是社会发展过程中所需要的重要资源类型，具有不可再生的特点，是社会得以稳定发展的物质保障。为了进一步发挥矿产资源的价值，需要重视培养采矿工程专业人才，为采矿技术创新提供重要基础，推动矿业未来持续发展。虚拟仿真技术可以构建虚拟化的教学环境，近年来在教育体系中应用广泛，用户可以利用人机交互操作模式对虚拟对象进行不断调整，对于实践类专业训练活动的开展有积极影响，改变以往教师单向授课的教学模式，促使学生在一体化环境中展开自主学习，调动学生的多种感官。虚拟仿真实验教学体系融入了各类现代化技术，可以构建虚实结合的教学体系，在提高学生对理论知识掌握度的同时提高学生的实践能力，激发学生的创新意识，推动教育信息化发展和改革。

一、虚拟仿真实验教学体系建设的意义

（一）提高课堂教学效果

采矿工程专业教学内容较为复杂，专业知识较理论化，学生经常出现理解不到位的现象，如采矿方法展示不立体、采矿内部结构运转原理不清晰、岩石力学实验流程理论化、矿山安全隐患判断培养意识不足等，影响了课堂教学效果的提高[1]。虚拟仿真实验教学体系可以将各类理论知识以增加形象和立体的方式展示给学生，如在学习采矿方法时，可以将采矿方法以及矿山内部结构清晰地展示出来，提高了学生对采矿方法的掌握度和专业课堂教学效果，解决了现有教学问题。

（二）培养创新型人才

矿业进入了改革的关鍵阶段，在各类新技术的支持下迎来了一个全新的发展机遇，对于创新型人才的需求量也大幅度提高，所以需要重视吸引各类创新型人才，解决当前矿业强国发展过程中存在的难题。采矿在矿业发展中占有重要地位，传统的采矿方法存在粗放化的问题，应积极使用各种不同类型的智能化开采设备，提高设备利用效率。虚拟仿真实验教学可以将智能化技术引入教学实践中，加深学生对新技术的了解，为学生提供合适的创新环境，对于提高学生的创新能力有积极影响，满足创新创业教育改革需求。

（三）优化实验教学模式

现代化矿业融合了多种不同的行业技术，包括信息行业、工程行业、电子行业等，采矿流程得到了优化和调整，但是采矿中所需要关注的要点也有所增加，如在爆破过程中需要根据地质情况选择爆破设备，成本投入高，安全隐患多，如果学生未参与爆破实验，会影响学生后续工作实践的开展，出现学生理论成绩高、实践能力弱的问题。虚拟仿真实验教学优化了传统的实验教学模式，不需要额外建设专门的实验室，打破了实验室应用过程中人数和地点的限制，为新型人才培养体系的构建打下了良好的基础，让学生拥有自由探索的平台，弥补了传统实验教学存在的不足[2]。

二、采矿工程专业虚拟仿真实验教学体系建设要求

（一）重视理论与实践相结合

虚拟仿真实验教学以理论学习为重点，坚持以提升学生综合能力为教学核心，将理论和实验教学进行了紧密融合，改变了传统的人才培养机制，充分发挥实验教学的优势，提高学生的创新能力。在采矿工程专业核心课程教学活动中，利用虚拟仿真实验平台组织实验教学，教师预先设置题目，学生针对这一题目进行思考，带着问题完成虚拟实验操作，在操作过程中解决问题。在课堂教学中加强师生之间的互动，以学生为课堂主体，让学生畅所欲言地表达自己的想法，并在表达过程中展示实验操作，有利于完善学生的思维体系，提高逻辑能力，深化学生对理论知识的理解[3]。

（二）坚持“两个结合、三个转换”的原则

在教学中除了理论与实践结合外，还将教学活动和科研活动进行融合，及时将科学研究成果和行业科技成果进行资源转化，使其成为采矿工程专业的教学资源，打破教材存在的学习资源限制。虚拟仿真实验教学将学习模式从原本的二维形式转化为三维立体形式，例如将地下采矿过程中的内部结构以三维空间的形式展示给学生，使学生了解在采矿过程中各类设备的运行方式。在机械设备学习方面，由以往的设备外部特点学习转换为内部结构学习，包括设备拆解、设备装配、设备运转等，加深学生对设备各个结构运行原理的了解。在材料学习时，学习角度由微观转换为宏观，如岩石材料内部微裂隙、最终宏观破坏的虚拟仿真。

（三）深化校企合作

虚拟仿真实验教学体系的建设离不开企业的帮助，通过企业和学校的共同合作可以为教学活动的开展提供重要的资源补充，将企业实践案例融入其中，有利于提高教学效果[4]。如虚拟仿真实验教学平台可以对铲运机进行模拟，根据其参数构建仿真模型，为其赋予骨骼动作，让学生在平台中即可操作铲运机。将矿山巷道数据上传到实验平台中可以对其内部布局进行模拟，包括灯光、支护结构、岩石特征等，给学生以更加真实的感受。在对学生进行考核时可以让企业参与其中，学生通过实验平台进行模拟操作，掌握在不同环境下的操作和问题解决方式，由企业教师和学校教师共同观看操作过程，做出精准评价。

三、采矿工程专业虚拟仿真实验教学体系

（一）教学模块

教学模块主要包括三个：（1）理论教学模块，将专业理论知识作为基础，明确学生的学习难点，对实验项目进行仿真化处理，促使学生对理论知识有更加形象的掌握。在教学中会构建各类三维模型，让学生通过人机互动的方式和模型进行互动，强化学生理论知识基础储备[5]。（2）工程训练模块是结合煤矿现场的具体实践方式实施矿井漫游仿真处理，为学生创造更加真实的煤矿环境，让学生在沉浸式体验中感受煤矿开采的方式以及过程，丰富学生的学习体验。针对综采工作面工艺进行仿真模拟，在实践活动中完成实践训练，提高学生的实践综合能力。（3）科研活动模块是教师负责开展科研活动的具体项目，对学校学科建设有重要意义和影响。在科研活动中，教师可以适当邀请学生参与其中，为学生提供提升自己、发展自己的平台，强化学生的科研意识以及研究能力。

（二）实验层次

采矿工程专业具有实践性的特点，在教学过程中如何提高学生的个人实践能力是极其重要的，以往的教学中学生需要经过多次实践训练，在实习过程中不断了解采矿流程[6]。但是在矿山企业生产一线中存在较多的安全隐患，学生在顶岗实习时只是做一些简单的文字资料工作，实践能力无法得到提高。在虚拟仿真实验教学系统中，通过优化实验系统、丰富实验层次，可以为学生提供真实且灵活的实验环境。实验层次主要包括以下三点：（１）多空间、多系统演示仿真实验层次，主要是演示性试验，对煤炭开采时的基本流程进行演示，分析在开采过程中会出现的问题以及主要解决手段。（２）综合与设计仿真实验层次，学生可以利用虚拟仿真实验中的各类设备实施组合和搭建，通过不断优化排列组合模式完成实验项目，是提高学生创新能力的重要方式。（３）创新与前沿仿真实验层次，结合采矿工程专业学科以及相关行业的主要发展趋势，在行业前沿的基础上让学生参与科研活动，并将所研发出的科研成果应用到教学实践中，转化为虚拟仿真实验教学资源。通过多个实验层次的交叉和融合能够构建多元化实践教学内容，对实验教学体系进行完善和调整，从而构建完整的虚拟仿真实验教学体系[7]。

（三）考核管理

在教学体系中考核环节是极其关键的，通过适当的考核能够让教师掌握学生的学习情况，从而针对学生的学习状态及时调整教学策略，拓展教学内容，对于提高教学质量有积极影响。在虚拟仿真实验教学体系中应当设置专门的考核模块，模块中包括试题、试卷、评分以及成绩统计等多个管理模块，学生在完成线上考试后可以自动对问题的完成情况进行评价和评分，完成统计归纳，从而让教师更加清晰地了解本阶段学生的学习成绩。在试题管理模块中存储了大量的试题资源，学生可以将其作为学习資源，通过反复刷题的方式提高自身的知识掌握度，为自主学习活动开展打下良好的基础[8]。

（四）安全教育管理

在采矿作业过程中安全是极其重要的，如果学生缺少良好的安全意识，很有可能会置身于危险之中，引发严重的经济损失，造成人员伤亡。以往在安全教育中教师只是向学生讲述采矿作业中常见的安全隐患以及处理方法，学生未经历过工作实践，安全意识无法得到增强，安全事件应急能力较弱，对于后续工作而言有着不利影响。虚拟仿真实验教学可以强化学生的安全意识以及操作能力，通过设置实训室，可以通过人机对话的方式展开矿压实测实践训练，为学生提供操作采矿设备的机会和平台。矿压实测是以物理模型为基础，通过应用虚拟现实技术的方式对模型的运作空间进行拓展，利用实测设备对矿山压力参数进行检测，以此来及时发现参数异常的问题，向相关人员发出安全警示。在煤矿生产作业中所使用的设备普遍具有大型化、复杂化的特点，如采煤机、掘进机等，利用虚拟现实操作系统可以使学生拥有设备操作体验，从而掌握设备操作过程中所需要遵循的安全要点，提升安全操作技能。除去实践训练外，还可以模拟各类安全事故真实环境，如采矿区坍塌、中毒、坠罐等，学生可以更加真实地感受到安全事故发生时的紧张情绪，并通过逃生演练可以让学生在安全事故中成功逃脱，在强化学生安全意识的同时提高其自我防护技能[9]。

（五）教学资源管理

教学资源管理主要是针对现有课程教学过程中所含的各类资源进行合理分配，将其存储到统一的平台上，师生可以通过登录账号的方式在网站上浏览和查找各类教学资源信息，为师生提供便利。教学资源管理在虚拟仿真实验教学体系中发挥着不可或缺的作用，打破了以往学生在自学过程中存在的时间和空间限制，学生随时随地可以获取教学资源，有利于培养学生的自主学习意识。通过下载教学资源，学生在虚拟仿真实验活动中拥有更多的素材，在课下自行针对煤矿开采技术进行研究，提高学生的专业素质以及综合能力。教学资源管理重视应用开放化管理理念，不仅可以让学生自由获取各类资源，还可以让学生在平台上发布实验信息，收集实验数据，提供了良好的沟通交流环境。

（六）数值模拟与仿真实验平台

在采矿工程专业中，数值模拟与仿真是主要研究方式，利用计算机进行数值计算，同时联合图像显示对煤矿开采工程所存在的问题进行仿真处理，在模拟的过程中推演，分析问题产生的原因以及解决措施。采矿工程虚拟仿真实验室拥有ITASCA系列FLAC（FLAC3D）、UDEC（3DEC）等各类不同的软件，学生可以利用这些软件对煤矿开采过程中的各类问题进行研究，为专业优质人才培养提供了完备的平台基础[10]。

四、采矿工程专业虚拟仿真实验教学资源建设

（一）以学科特色为基础设计实验平台

将学校学科建设以及所研究出的科研成果进行转化，依托学校的资源优势，为学生提供更加专业的学习辅助，让教学资源变得更加丰富、高效，打造以学科为核心的教学资源机制，构建特色教学资源库。高校教师应针对学科特色进行分析，构建不同的虚拟仿真实验平台，增加新的教学内容，要求教师从科研型、综合设计型以及验证型三类实验出发收集实验资源，让实验教学范围有所扩大。

（二）坚持学科建设和科研训练融合

将科研活动和学校学科建设以及科学研究训练进行融合，让优秀学生可以参与到实验室科研活动中，和教师共同推进科研项目进程，掌握科学的研究方法和手段，在科研精神的熏陶下促使学生形成科学、严谨的工作意识。例如，“现代化矿井生产系统虚拟现实模型”“基于增强现实的巷道认知及矿压实测实验”等。实验室包含大量的新型科研资源，学生可以对行业发展前沿有更加清晰的了解，从而针对性地提高自身的综合能力，有利于激发自主创新和研究的意识。

（三）开放机制建设

教学资源机制建设可以发挥虚拟仿真实验教学资源的优势，全面提高各个高校的教学能力，优化现有采矿工程专业人才培养机制，形成资源共享的模式。高校应和其他采矿专业院校进行合作编制精品教学资源以及实验教材，互相派遣教师进入学校内实习，组织各类高校交流会议，让教师拥有学习和进修的机会。采矿工程专业所培养的人才是未来推动矿业发展的主要人才类型，高校也应当发挥自身的社会职能，积极为相关行业以及社会组织提供优质服务。如高校可以将虚拟仿真实验系统和矿区进行网络连接，及时将各类现场数据上传到平台，经过软件分析，针对存在的安全隐患进行预警，为煤矿生产活动提供有效的安全保障。此种方式可以进一步深化校企合作，拉近学校、政府部门和企业的距离，深化各级联系，强化虚拟仿真实验中心在社会范围内的影响力，发挥资源的共享作用。

五、采矿工程专业虚拟仿真实验教学队伍建设

教学队伍是影响教学效果的关键要素，在虚拟仿真实验教学体系中占有重要地位，是推进实验教学改革的主体，需要重视提高教学队伍的综合能力，为虚拟仿真实验教学活动开展打下良好的基础。采矿工程专业要求学生掌握理论知识以及实践技能，形成理论融合实践的教学模式，高校应首先重视对现有教师进行培训，为教师提供学习的机会。例如，应邀请科研成绩突出的教授对青年教职工进行培训，指导青年教师逐步熟悉教学环节以及要求，并积极鼓励青年教职工参与到矿山企业生产实践中，利用挂职锻炼的方式了解矿山企业的工作模式，掌握煤矿开采的新技术，提高教师的综合素质以及能力。其次，主动邀请矿山企业的优秀技能人员参与到教师队伍中，打造“双师型”教师队伍，这一类教师可以主动将煤矿开采案例以及技术融入教学内容中，有利于改善课堂教学枯燥的氛围，也能够使虚拟仿真实验教学变得更加灵活、生动。再次，针对教师的专业能力研究方向安排其参与相应的科研活动项目，并重点针对虚拟仿真实验教学体系进行研究，加深教师对虚拟仿真实验教学的认知和了解，带领学生熟练运用、学习仿真实验系统。最后，让采矿工程专业教师共同进行研究和讨论，对教学现状以及现有资源进行整合，在研究过程中对教学资源进行开发，丰富视频资料信息，将其应用到实验教学过程中。例如，在煤矿开采时会产生大量的废气污染物，现阶段已经重视研究绿色开采技术，教师可以针对绿色开采设置虚拟仿真平台，分析绿色开采技术的应用效果，让学生形成绿色理念，顺应未来矿产行业的发展趋势。

六、结语

实验教学是采矿工程专业的重点教学内容，是影响学生创新能力提升的关键环节，需要学生将理论知识灵活应用在实践中，并通过实验获得相应的研究结果。虚拟仿真实验教学体系的建设为学生提供了合适的自主学习平台，有利于培养具备综合素质和能力的专业型人才，打破传统教学活动存在的空间和时间限制。建设教学体系时应从教学系统、教学资源、教学队伍入手，丰富教学内容和教学模块，构建开放化的教学资源管理体系，提高教师的综合素质，为教学活动的开展打下良好的基础。此种教学模式可以解决高校存在的实验场地资源限制问题，让每一个学生拥有良好的实验环境，进一步推动课程改革进程。

参考文献：

［1］黄志高，郑勇平，林应斌，等.理工科虚拟仿真实验项目建设的实践与思考［J］.福建师范大学学报（自然科学版），2022，38（6）：94-100.

［2］薛黎明，刘哲.采矿工程专业虚拟仿真实验室教学体系建设［J］.煤矿现代化，2021，30（2）：101-103.

［3］龚成勇，韩伟，王之君，等.构建虚拟仿真实验教学多元评价体系：以《水电站》课程虚拟仿真实验为例［J］.中国教育信息化，2020（6）：51-56.

［4］刘金库，卢怡，张敏，等.科研成果向虚拟仿真实验教学一线转化的模式：以首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程建设为例［J］.化学教育（中英文），2022，43（10）：58-61.

［5］顾黎，周明华.国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台对现代远程教育实验教学的启示［J］.成人教育，2022，42（5）：47-52.

［6］孫志娟，曹雷，李淑.工科远程教育虚拟仿真实验建设与实践：以国家开放大学PLC技术虚拟仿真实验为例［J］.广播电视大学学报（哲学社会科学版），2022（1）：25-31.

［7］熊宏齐.基于虚拟仿真的线上线下融合专业实验教学体系构建［J］.实验技术与管理，2022，39（3）：5-10，25.

［8］薛黎明，刘威，侯运炳，等.构建“采矿工程”虚拟仿真实验室实验教学体系研究［J］.教育教学论坛，2020（23）：389-390.

［9］李宁，王其洲，叶海旺，等.采矿工程专业虚拟仿真实验教学平台建设［J］.工业和信息化教育，2022（2）：86-90.

［10］伍玲密，周苏洁，郑伟，等.虚拟仿真实验教学在人才培养中的应用与探索：以“电工电子技术”课程为例［J］.科技与创新，2021（4）：103-105，107.

◎编辑 栗国花